钙感应蛋白Calneuron-1作为M1R辅助亚基通过破坏毒蕈碱信号通路诱导精神分裂症样前额叶-颞叶连接异常

《Neuron》：Elevated calneuron-1, an accessory subunit of muscarinic receptors, induces frontotemporal dysconnectivity and schizophrenia-like deficits

本刊推荐：为解决精神分裂症(SCZ)前额叶皮质(PFC)功能异常及风险基因CALN1的致病机制不清问题，研究人员开展了Calneuron-1作为毒蕈碱M1受体(M1R)辅助亚基的功能研究。发现SCZ患者背外侧前额叶(dlPFC)Calneuron-1表达升高，其通过与M1R第三胞内环(I3-loop)竞争性结合Gαq11蛋白，在Ca2+依赖方式下抑制G蛋白偶联，导致海马-前额叶(HP-PFC)功能连接障碍和突触可塑性受损。M1R激动剂xanomeline可破坏Calneuron-1/M1R相互作用，恢复信号通路并挽救行为缺陷，揭示了SCZ致病新机制并为KarXT临床应用提供理论依据。

　　

精神分裂症是一种复杂的精神疾病，全球约有1%的人口受其影响，其主要特征包括阳性症状（如幻觉和妄想）、阴性症状（如情感淡漠和社交退缩）以及认知功能障碍。尽管全基因组关联分析(GWAS)已识别出大量风险基因位点，但多数基因的分子致病机制仍不明确。其中，钙感应蛋白Calneuron-1基因(CALN1)被多次报道与精神分裂症风险相关，但其在疾病发生中的具体作用机制尚未阐明。尤其值得注意的是，前额叶皮质(PFC)的功能异常被认为是精神分裂症阴性症状和认知缺陷的核心病理基础，而毒蕈碱乙酰胆碱受体信号通路（特别是M1R）的失调在此过程中扮演关键角色。M1R激动剂xanomeline在临床试验中显示出对精神分裂症症状的显著改善作用，并于近期获得FDA批准上市，但其作用靶点和分子机制仍不完全清楚。

本研究通过整合分子生物学、电生理学、行为学分析和临床样本验证，系统揭示了Calneuron-1在精神分裂症病理机制中的核心作用。研究人员首先检测了精神分裂症患者死后脑组织样本，发现背外侧前额叶(dlPFC)中CALN1转录本和蛋白水平均显著升高。同时，在Disc1和Df16两种精神分裂症小鼠模型的前额叶中也观察到CALN1 mRNA的上调。为验证Calneuron-1过表达的致病性，研究人员通过病毒载体在小鼠内侧前额叶皮质(mPFC)特异性过表达Calneuron-1，发现这些小鼠表现出类似精神分裂症的行为表型，包括感觉运动门控缺陷（前脉冲抑制PPI受损）、潜在抑制障碍、认知灵活性和工作记忆下降等。

在机制探索层面，研究团队通过免疫共沉淀、表面等离子共振(SPR)和荧光共振能量转移(FRET)等技术，首次证实Calneuron-1与M1R存在直接相互作用，且这种相互作用具有钙离子依赖性。具体而言，Calneuron-1通过其C端跨膜结构域(TMD)和第二EF-hand结构域与M1R第三胞内环(I3-loop)预先结合，当细胞内钙浓度([Ca²⁺]_i)升高时，第一EF-hand结构域进一步强化这一结合，从而竞争性抑制Gαq₁₁蛋白与M1R的偶联，阻断下游信号转导。

在神经环路水平，Calneuron-1过表达导致mPFC局部场电位(LFP)谱特征改变，表现为低频段(1-12 Hz)功率降低而高频段(12-100 Hz)功率增加，1/f斜率向正值方向偏移，提示兴奋-抑制平衡偏向兴奋性增强。同时，海马-前额叶之间的功能连接明显受损，theta-gamma频段耦合同步性下降，信号传导方向性异常。在突触可塑性方面，Carbachol(Cch)诱导的毒蕈碱长时程抑制(mLTD)在Calneuron-1过表达小鼠的mPFC脑片中显著减弱。

最为重要的是，研究证明临床有效的M1R激动剂xanomeline能够特异性破坏Calneuron-1与M1R的相互作用，恢复G蛋白偶联效率，挽救突触可塑性缺陷，并在行为水平上改善感觉运动门控功能障碍。在体给药实验进一步显示，xanomeline治疗能够恢复正常的前额叶网络活动和HP-PFC通讯方向性。

关键技术方法包括：使用精神分裂症患者死后脑组织进行qPCR和Western blot分析；通过AAV病毒介导的基因过表达在小鼠mPFC实现区域特异性Calneuron-1调控；采用多通道在体记录技术分析局部场电位和单单位放电；利用免疫共沉淀、表面等离子共振和FRET等技术验证蛋白质相互作用；通过脑片电生理记录突触可塑性变化；运用行为学测试评估感觉运动门控、认知灵活性和工作记忆等表型。

Calneuron-1水平在精神分裂症患者dlPFC中升高

对慢性精神分裂症患者和年龄性别匹配的对照组的死后脑组织分析显示，患者组dlPFC中CALN1 mRNA和蛋白水平均显著高于对照组，而M1R蛋白水平无变化。控制吸烟状况和性别等因素后，这一差异仍然存在，表明Calneuron-1表达升高是精神分裂症分子病理的特征之一。

Calneuron-1水平在SCZ小鼠模型中升高，mPFC过表达Calneuron-1引发精神病性行为

在Disc1和Df16两种精神分裂症小鼠模型中，mPFC的CALN1 mRNA表达均显著上调，主要位于皮层2/3层和5层。在野生型小鼠mPFC过表达Calneuron-1后，小鼠表现出新奇探索和识别能力受损、前脉冲抑制(PPI)缺陷、潜在抑制障碍等精神分裂症相关行为表型。

发育期Calneuron-1升高导致认知能力持久破坏

在发育早期(P5)于小鼠mPFC过表达Calneuron-1，会导致幼年和成年期认知灵活性受损，在辨别反转任务和集合转换任务中表现更差，工作记忆错误增加，表明发育期Calneuron-1升高可引起持久且随年龄加重的认知功能障碍。

发育期Calneuron-1升高破坏前额叶网络活动和mPFC-HP通讯

在体电生理记录显示，发育期Calneuron-1过表达导致mPFC局部theta功率降低、gamma频率加速、神经元放电率增加但变异性降低。同时，mPFC各层间信号传导方向性受损，海马-前额叶功能连接明显障碍，表现为theta相位-gamma振幅耦合减弱和神经元锁相强度下降。

成年期mPFC过表达Calneuron-1破坏HP-mPFC功能连接

在成年小鼠mPFC急性过表达Calneuron-1同样导致HP-mPFC通讯障碍，theta、beta和gamma频段耦合同步性下降，表明Calneuron-1对网络功能的直接影响与发育阶段无关。

Calneuron-1升高破坏mPFC中的mLTD

在急性脑片实验中，Calneuron-1过表达显著减弱了Cch诱导的毒蕈碱长时程抑制(mLTD)，表明Calneuron-1水平升高足以干扰这种与精神分裂症相关的突触可塑性形式。

Calneuron-1直接与M1R相互作用

免疫共沉淀和PLA实验证实内源性Calneuron-1与M1R在体内外均存在相互作用。表面等离子共振分析显示Calneuron-1与M1R I3-loop的直接结合具有纳摩尔级亲和力，且钙离子显著增强这一结合。突变分析进一步确定了I3-loop中1-8-14 motif和IQ-like motif为关键结合界面。

Calneuron-1与M1R I3-loop结合以Ca²⁺依赖方式抑制Gαq₁₁偶联

FRET实验表明Calneuron-1过表达会减少M1R与Gαq₁₁之间的能量转移，且这一效应在钙离子载体ionomycin处理后更加明显。体外结合实验直接证明Calneuron-1可竞争性 displaces Gαq₁₁与M1R I3-loop的结合。

Calneuron-1调节M1R与抑制性突触的偶联

在CALN1敲除小鼠的mPFC神经元中，微型抑制性突触后电流(mIPSC)的振幅和频率均增加，表明Calneuron-1缺失增强了GABA_A能神经传递。在纹状体中型多棘神经元中，Calneuron-1敲低同样增加mIPSC振幅，而pirenzepine（M1R反向激动剂）可阻断这一效应。

Xanomeline中断Calneuron-1与M1R相互作用并恢复G蛋白偶联和突触可塑性

Xanomeline处理可显著减少Calneuron-1与M1R的PLA信号，同时增加M1R与Gαq₁₁的相互作用。在体给药实验证明，xanomeline能挽救Calneuron-1过表达引起的行为缺陷和网络活动异常，恢复HP-PFC信号传导方向性。

本研究系统揭示了Calneuron-1作为精神分裂症风险基因的致病机制。发现在精神分裂症患者和小鼠模型中，前额叶Calneuron-1表达升高，通过作为M1R的辅助亚基，在钙离子依赖的方式下干扰G蛋白偶联，导致毒蕈碱信号通路功能障碍，进而引起前额叶局部网络活动异常和海马-前额叶功能连接障碍。这些神经生理学改变与精神分裂症相关的行为表型密切相关。更重要的是，研究证明临床有效的M1R激动剂xanomeline能够中断Calneuron-1/M1R相互作用，恢复信号转导和突触可塑性，为精神分裂症的治疗提供了新的分子靶点和机制解释。

这一发现不仅阐明了CALN1作为精神分裂症风险基因的具体致病途径，还将钙信号感应、毒蕈碱受体功能和神经环路异常有机联系起来，为理解精神分裂症的病理生理机制提供了全新视角。研究结果支持Calneuron-1/M1R相互作用作为精神分裂症治疗的潜在靶点，也为xanomeline（KarXT）的临床应用提供了坚实的理论基础。未来针对这一通路的研究可能为精神分裂症的治疗策略开发带来新的突破。